Wydział Fizyki konsultacje: Gmach Mechatroniki, pok. 324; po umówieniu mailowym

Transkrypt

1 Fizyka I Podstawy fizyki dr hab. inż. Wydział Fizyki wrobel.studia@gmail.com konsultacje: Gmach Mechatroniki, pok. 324; po umówieniu mailowym 1

2 Przykład Zdefiniuj przemieszczenie i drogę. Podaj jednostki. Zaznacz na rysunku przemieszczenie i drogę podczas ruchu ciała z pkt. A do pkt. B. B A 2

3 Przykład Narysuj poprawnie wszystkie siły działające na kulkę o masie m i promieniu R toczącą się po równi pochyłej nachylonej pod kątem α uwzględniając tarcie (współ. tarcia f ). Napisz poprawnie równania II zasady dynamiki dla tej kulki (ruchu postępowego i obrotowego) R g 3

4 Przykłady Są pytania o definicje bo fizyka jest nauką ścisłą Są pytania o zastosowanie w prostych przykładach bo zastosowanie tego ścisłego języka i sformułowanych praw fizycznych pozwala opisać otaczający nas świat! 4

5 po co nam fizyka na studiach Poznać, zrozumieć otaczający nas świat nauki podstawowe Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas świecie nauki stosowane (technika) Działy fizyki mechanika elektrodynamika termodynamika optyka fizyka jądrowa mechanika kwantowa fizyka ciała stałego Nauki techniczne mechanika (techniczna),... elektrotechnika silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,... lasery, holografia, światłowody,... reaktory atomowe, medycyna (radioterapia), szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe, elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki, przewodniki superjonowe, magnetyki, 5

6 Nauka - technika 6

7 po co nam fizyka na studiach Poznać, zrozumieć otaczający nas świat nauki podstawowe Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas świecie nauki stosowane (technika) Działy fizyki mechanika elektrodynamika termodynamika optyka fizyka jądrowa mechanika kwantowa fizyka ciała stałego Nauki Przykłady techniczne Maszyny proste mechanika (techniczna),... Zabawki elektrotechnika mechaniczne Jak działają, jakie zjawiska czy lasery, holografia, światłowody,... prawa fizyczne pozwalają opisać czy zrozumieć? kolokwium? silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,... reaktory atomowe, medycyna (radioterapia), szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe, elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki, przewodniki superjonowe, magnetyki, 7

8 Co to jest fizyka If it smells it s chemistry If it s green or it wriggles it s biology If it doesn t work it s physics 8

9 Zasady zaliczenia Fizyka 0 (zajęcia wyrównawcze) Na zajęciach odbędzie się 14 krótkich (5-10min.) kartkówek, ocenianych po 1pkt za kartkówkę. Każda kartkówka składać się będzie z jednego krótkiego zadania, związanego z tematem poprzednich zajęć. W ciągu semestru, regularnie przygotowując się do zajęć, można więc uzyskać 14pkt. Nie przewiduje się popraw kartkówek liczy się SYSTEMATYCZNOŚĆ Dodatkowe punkty można uzyskać za rozwiązanie zadania przy tablicy ale nie więcej niż 4pkt w sumie. 9

10 Zasady zaliczenia W semestrze odbędą się 2 kolokwia połówkowe na wykładach (około 7-8 tygodnia zajęć i na ostatnich zajęciach) po 12 pkt każde. Wymagane jest uzyskanie przynajmniej 5pkt z każdego kolokwium. UWAGA! Podczas kolokwium będzie wyznaczony czas ok.5 min, kiedy będzie można korzystać ze ściąg i przypomnieć sobie wzory. Punkty uzyskane z Fizyki 0 (max. 14pkt) sumują się z punktami uzyskanymi z kolokwiów na wykładach (max. 24pkt). Do zaliczenia przedmiotu należy uzyskać 19 pkt z 38 możliwych. 10

11 Zasady zaliczenia EGZAMIN W SESJI W sesji zimowej odbędzie się egzamin z Fizyki1, który będzie miał formę poprawy 1 i/lub 2 kolokwium z wykładów. Będzie również część zadaniowa gdzie będzie można poprawić punktację z Fizyki0. UWAGA! Punkty uzyskane podczas sesji ZASTĘPUJĄ punkty zdobyte w ciągu semestru! Punktacja: Ocena

12 Bibliografia David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki tom 1,2,3,4,5, Wydaw. Naukowe PWN,2005. Władysław Bogusz, Jerzy Garbarczyk, Franciszek Krok, Podstawy Fizyki, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997 (lub wydanie nowsze) B.M Jaworski, A.A. Dietłaf, Fizyka - poradnik encyklopedyczny, Wydaw. Naukowe PWN,1997 (lub nowsze). Jay Orear fizyka tom 1,2, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1990,2004 Fizyka. Repetytorium. Wzory i Prawa z Objaśnieniami Kazimierz Sierański, Piotr Sitarek, Krzysztof Jezierski Fizyka. Repetytorium. Zadania z Rozwiązaniami Krzysztof Jezierski, Kazimierz Sierański, Izabela Szlufarska Fizyka. Zadania z Rozwiązaniami. Część I i Część II Krzysztof Jezierski, Bogumił Kołodka, Kazimierz Sierański Skrypt dostępny na stronie 12

13 Program 1) Wiadomości wstępne; wielkości fizyczne, układ jednostek SI; układ współrzędnych, operacje na wektorach. Rachunek na jednostkach, szacowanie wielkości fizycznych. 2) Podstawy dynamiki. Równania ruchu. Przemieszczenie, droga, prędkość, przyśpieszenie. 3) Definicja pędu. Zasady dynamiki Newtona. Praca i energia. Definicja i obliczanie pracy 4) Energia potencjalna pola grawitacyjnego i sił sprężystych. Energia kinetyczna. Zasady zachowania energii i pędu w mechanice 5) Ruch obrotowy. Związek wielkości występujących w opisie ruchu obrotowego i postępowego. Zasada zachowania momentu pędu. Energia ruchu obrotowego. 6) Podstawy hydrostatyki. Pojęcie ciśnienia. Prawo Pascala zastosowania w urządzeniach hydraulicznych. Prawo Archimedesa, areometr. 7) Podstawy hydrodynamiki, przepływ cieczy, równanie ciągłości i równanie Bernoulliego sondy prędkości i ciśnienia, pompa wodna, skrzydło. Własności płynów rzeczywistych - opór dynamiczny i współczynnik oporu, efekt Magnusa. 8) Podstawy termodynamiki. Teoria kinetyczna gazu. Temperatura, ciepło, zasady termodynamiki. Podstawowe przemiany termodynamiczne. Równanie stanu gazu. Cykle termodynamiczne, entropia. 9) Mechanizmy przekazywania ciepła, opór cieplny, zastosowania w izolacji termicznej. Rozszerzalność cieplna ciał stałych i cieczy. 13

14 Uwaga Materiały zamieszczane na stronie to jest tylko materiał pomocniczy i to głównie dla mnie w prowadzeniu wykładu! Na kolokwium obowiązywać będzie całokształt omawianych zagadnień: + to co było na slajdach + to co mówiłem + to co na tablicy 14

15 Metodologia Eksperymenty często dają informacje jedynie o pewnej własności badanego obiektu 15

16 Metodologia Staramy się opisać nie tylko te poszczególne cechy, właściwości obiektu ale również połączyć różne cechy w jeden spójny obraz, model tego obiektu oraz jeżeli możliwe zaproponować wyjaśnienie tych właściwości. 16

17 Metodologia Problem Hipoteza EKSPERYMENT JAKO NARZĘDZIE WERYFIKACJI 17

18 Podstawy fizyki Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych oraz na pomiarach ilościowych. 18

19 Podstawy fizyki Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych oraz na pomiarach ilościowych. 19

20 Pomiary Pomiar porównanie ilościowe ze wzorcem Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym). niepewność 1mm niepewność 0.01mm 20

21 Niepewność Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym). niepewność względna 0.05%; 5*10-4 W niektórych pomiarach udaje się osiągnąć niepewności rzędu Stałe fizyczne szczególnie ważne wielkości fizyczne Istotne szczególnie dla weryfikacji praw fizycznych 21

22 Stałe fizyczne Względna niepewność Nazwa stałej Symbol Wartość Jednostka Prędkość światła w próżni c m s -1 (dokładnie) Stała grawitacji G 6,674 28(67) m 3 kg 1 s 2 1, Stała Plancka h 6, (33) J s 5, Ładunek elementarny e 1, (40) C 2, Masa elektronu m e 9, (45) kg 5, Masa protonu m p 1, (83) kg 5, Masa neutronu m n 1, (84) kg 5, Stała Avogadra N A 6, (30) mol 1 5,

23 Szacowanie Oszacuj ilość kroków z Warszawy do Krakowa. Szacunkowa odległość z Warszawy do Krakowa to 300km. Szacunkowa długość kroku to 80cm. Dzieląc odległość Warszawa-Kraków przez długość kroku otrzymujemy: m/0.8m=375000= kroków 10 5 kroków 23

24 Szacowanie 24

25 Szacowanie Oszacuj liczbę stroicieli pianin w Warszawie 1 osoba na 100 ma pianino w Warszawie mieszka osób czyli liczba pianin jest rzędu jeden stroiciel może nastroić 3 pianina/dzień czyli około 10 3 pianin/rok średnio pianino stroi się 1 raz/rok liczba stroicieli: (liczba pianin do nastrojenia)/(liczba pianin, które stroiciele mogą nastroić w ciągu roku) = / 10 3, czyli 20 25

26 Szacowanie Oszacuj liczbę stroicieli pianin w Warszawie 1 osoba na 100 ma pianino w Warszawie mieszka osób czyli liczba pianin jest rzędu jeden stroiciel może nastroić 3 pianina/dzień czyli około 10 3 pianin/rok średnio pianino stroi się 1 raz/rok liczba stroicieli: (liczba pianin do nastrojenia)/(liczba pianin, które stroiciele mogą nastroić) = / 10 3, czyli 20 26

27 Pomiary w fizyce właściwość wielkość fizyczna Jednostka rozmiar długie krótkie czas długo krótko stan termiczny ciepłe - zimne prąd elektryczny duży mały wysokość dźwięku niski - wysoki długość l czas t temperatura T natężenie prądu I częstość f metr [m] sekunda [s] kelwin [K] amper [A] hertz [Hz] wielkości fizyczne opisują właściwości poprzez porównanie ze wzorcem pozwalają również ilościowo określić tę właściwość 27

28 Fizyka wielkości fizyczne opisują właściwości obiektów i pozwalają również ilościowo porównać te właściwości prawa fizyczne formułuje się na podstawie doświadczeń wielkością fizyczną jest każda wielkość, która daje się mierzyć czyli porównywać ze wzorcem jednostki tej wielkości w definicji wielkości fizycznej zawarte są informacje dotyczące jej pomiaru fizyka stosuje matematyczny opis zjawisk ( matematyka jest językiem fizyki ) empirycznie wielkości fizyczne dokładnie ( ściśle ) zdefiniowane Fizyka jest nauką ścisła i empiryczną 28

29 Fizyka W fizyce istnieje pewna liczba podstawowych wielkości fizycznych, a pozostałe wielkości są wielkościami zależnymi, pochodnymi. Istnienie zasad i praw szczegółowych powoduje wzajemne powiązanie wielkości fizycznych. Fizyka opiera się na pewnej minimalnej liczbie praw podstawowych o charakterze pewników zasady fizyczne. Inne szczegółowe prawa fizyczne wyprowadzamy z zasad fizyki za pomocą modeli fizycznych opisywanych zjawisk. Wzorce jednostek fizycznych potrzebne tylko dla wielkości podstawowych. 29

30 Wielkości fizyczne Wielkości fizyczne Skalarne (są liczbami) Wektorowe (są wektorami) Tensorowe (są macierzami) przykłady Masa m, czas t, temperatura T, energia E, objętość V, praca W, Położenie r, prędkość v, siła F, Tensor momentu bezwładności, tensor naprężeń, p = mv; L = r p; ΔW=ΔU+Q 30

31 Wielkości wektorowe Dodawanie i odejmowanie wektorów wektor prędkości łodzi względem brzegu jest sumą wektorów prędkości łodzi względem wody i wektora prędkości wody względem brzegu ruch łodzi jest złożeniem dwóch ruchów ruchu łodzi względem wody i ruchu wody względem brzegu będziemy poszukiwać czy da się analizować różne złożone ruchy jako złożenie ruchów prostych 31

32 Układ odniesienia, układ współrzędnych Układ kartezjański (prostokątny) r=(x,y) (2D) r=(x,y,z) (3D) Układ biegunowy (2D) r=(r,φ) Układ sferyczny (3D) r=(r,φ,θ) 32

33 Podstawowe wielkości Układ SI (Systeme International) Wielkość Nazwa Symbo l Długość metr m Masa kilogram kg Czas sekunda s Natężenie prądu elektrycznego amper A Temperatura Kelwin K Ilość materii mol mol Światłość kandela cd Kąt płaski radian rad Kąt bryłowy steradian sr 33

34 Wielkości pochodne Jednostki pochodne v s t v Δx Δt 34

35 Wielkości i jednostki pochodne Wielkości fizyczne można przedstawić jako kombinację kilku wielkości podstawowych Jednostki wielkości pochodnych odzwierciedlają ich relację z jednostkami podstawowymi wygodniej redukcjonizm 35

36 Przeliczanie jednostek miar 36

37 Jednostki - przedrostki 37